本书从实用性角度出发，对基于Chisel语言的数字系统设计的方法、技术和相关工具进行了系统介绍，主要内容包括：数字系统设计的基础知识、Chisel语言开发环境及仿真测试方法、使用Chisel语言进行数字系统设计的要素、使用Scala语言配置硬件生成的相关方法、复杂的数字系统功能模块的实例，以及对通用化FPGA逻辑结构的展望。书中引入大量设计示例，帮助读者在学习Chisel语法的同时，系统掌握数字系统设计的相关知识。本书既适合作为高校计算机类专业数字系统设计相关课程的教材，也适合从事数字系统设计相关工作的工程师阅读。

刘苍，毕业于国防科学技术大学计算机学院，工学博士。现任教于海军工程大学，主要研究方向为芯片开发、数字系统设计、微电子学与固体电子学等，2、发表发表学术论文二十余篇，其中以第一作者发表SCI/EI检索论文8篇；主持国家自然科学基金、湖北省自然科学基金各一项，参与多个国家级课题；申请国家发明专利十余项。Chisel语言生态社区的积极贡献者，在知乎等技术社区发表关于Chisel语言的系列文章。

目 录
前言
第 1 章 数字系统设计基础　　1
1.1 数字系统设计概述　　　1
1.1.1 什么是数字信号　　　1
1.1.2 什么是数字电路　　　2
1.1.3 什么是数字系统　　　3
1.1.4 现代数字系统的设计流程　3
1.2 基于 FPGA 的数字系统设计
概述　　　　 5
1.2.1 FPGA 概述　　　　5
1.2.2 基于 FPGA 的数字系统设计流程　7
1.3 数字系统设计的发展趋势　 8
1.3.1 基于框架的低代码设计　8
1.3.2 领域专用处理器　　　9
1.3.3 异构计算架构　　　9
1.3.4 安全性设计　　　 10
第 2 章 Chisel 语言概述　　11
2.1 FPGA 逻辑设计方法　 11
2.1.1 原理图输入法　　　 11
2.1.2 VHDL 设计语言　　　12
2.1.3 Verilog 设计语言　　　13
2.1.4 Chisel 设计语言　　 13
2.1.5 各种设计方法的对比　 15
2.2 开发工具的安装　　 16
2.2.1 IntelliJ IDEA 的安装　　16
2.2.2 Icarus Verilog 的安装　　19
2.3 使用 IntelliJ IDEA 进行 Chisel
逻辑设计的流程　　 24
第 3 章 基于 Chisel 语言的程序构建
和基础测试　　　28
3.1 使用 sbt 构建工程　　 28
3.1.1 代码组织　　　 28
3.1.2 运行 sbt 脚本　　　 30
3.1.3 生成 Verilog 代码文件　 31
3.1.4 工具流　　　　 32
3.2 基于 Chisel 语言进行测试33
3.2.1 ScalaTest　　　 33
3.2.2 ChiselTest　　　 35
3.2.3 波形测试　　　 40
3.2.4 打印调试　　　 41
第 4 章 高阶测试及验证　　 43
4.1 调试　　　 43
4.2 Chisel 设计的测试　　 43
4.3 多线程测试　　　　48
4.4 仿真验证模拟器　　 49
第 5 章 数字系统的组成　　 51
5.1 Chisel 的数据类型和常数　51
5.2 组合逻辑电路　　　53
5.2.1 逻辑运算　　　 53#12;
VI
5.2.2 算术运算　　　 54
5.2.3 多路选择器　　　 56
5.3 寄存器　　　　 57
5.4 Bundle 和 Vec　　　59
5.4.1 Bundle　　　　 59
5.4.2 Vec　　　　　61
5.5 Wire、Reg 和 IO　　 66
第 6 章 模块的定义及例化　 68
6.1 Chisel 语言的模块　　 68
6.2 模块嵌套　　　　71
6.3 算术逻辑单元　　　74
6.4 批量连接　　　　75
6.5 例化第三方模块　　 77
第 7 章 组合逻辑电路设计　 81
7.1 组合逻辑电路　　　81
7.2 译码器　　　　 83
7.3 编码器　　　　 85
7.4 仲裁器　　　　 87
7.5 优先级编码器　　　90
7.6 比较器　　　　 90
第 8 章 时序逻辑电路设计　 92
8.1 寄存器　　　　 92
8.2 计数器　　　　 96
8.2.1 递增计数器和递减计数器的
设计　　　　 97
8.2.2 通过计数器构造时序　 99
8.2.3 计数器优化　　　100
8.2.4 定时器　　　　101
8.2.5 脉冲宽度调制　 102
8.3 移位寄存器　　　 104
8.3.1 并行输出的移位寄存器　 105
8.3.2 并行输入的移位寄存器　 105
8.4 存储器　　　　106
第 9 章 硬件生成器　　　 110
9.1 Scala 语言简介　 110
9.2 使用函数实现轻量级模块　112
9.3 含配置参数的数字电路设计　114
9.3.1 简单的参数化配置　　 114
9.3.2 样例类　　　　115
9.3.3 含类型参数的函数　　 116
9.3.4 含类型参数的模块　　 118
9.3.5 参数化的 Bundle 类型　　119
9.4 生成组合逻辑　　　 120
9.5 继承的使用　　　 122
9.6 使用函数式编程进行硬件
生成　　　　　125
9.6.1 搜索最小值　　　126
9.6.2 仲裁树　　　　128
第 10 章 输入信号处理　　 133
10.1 异步输入　　　　133
10.2 输入信号去抖动　　 134
10.3 输入信号滤波　 136
10.4 将输入信号处理封装为函数 137
10.5 同步复位　　　　138
第 11 章 有限状态机　　 139
11.1 基本有限状态机　　 139
11.2 快速输出的 Mealy 型有限状
态机　　　　 143#12;
VII
11.3 Moore 型有限状态机和 Mealy
型有限状态机的对比　　146
第 12 章 状态机通信互联　 149
12.1 闪灯程序示例　 149
12.2 含数据通路的状态机　　153
12.3 ready/valid 流控接口　　158
第 13 章 设计示例　　　162
13.1 FIFO 缓冲器　　 162
13.2 串口　　　　 165
13.3 FIFO 的设计变体　　171
13.3.1 参数化的 FIFO　　 171
13.3.2 基于标准化接口设计
BubbleFifo　　　 173
13.3.3 双缓冲 FIFO 缓冲器 174
13.3.4 基于寄存器堆的 FIFO 缓
冲器　　　　 176
13.3.5 基于片上存储器的 FIFO
缓冲器　　　 179
13.4 多时钟域存储器　　 181
第 14 章 互联　　　 183
14.1 经典的微处理器总线　　183
14.2 片上总线　　　　184
14.2.1 组合式握手协议　185
14.2.2 流水线握手协议　185
14.2.3 I/O 外设设计示例　　187
14.2.4 存储器映射外设设计示例 188
14.3 总线和接口标准　　 191
14.3.1 Wishbone 总线　　191
14.3.2 AXI 总线　　　192
14.3.3 Open Core Protocol 标准 192
14.3.4 其他总线标准　 192
第 15 章 Leros 处理器设计　　194
15.1 指令集　　　　 194
15.2 数据通路　　　　197
15.3 算术逻辑单元　 198
15.4 指令译码单元　 203
15.5 汇编指令　　　　206
15.6 指令存储器　　　209
15.7 数据通路的状态机设计　209
第 16 章 通用化 FPGA 逻辑结构
设计　　　 213
16.1 为什么进行通用化 FPGA
逻辑结构设计　 213
16.2 可重构通用化 FPGA 逻辑
设计　　　　 214
16.2.1 总体设计　　　 214
16.2.2 数据交换模块　 215
16.2.3 信号转换模块　 216
16.3 原型系统设计和验证　　217
16.3.1 可重构通用化 FPGA 逻辑结构
原型系统　　　 217
16.3.2 下一步工作计划　218
16.4 对通用化、标准化逻辑设计
的展望　　　　 219
附录 A Chisel 3.6 手册　　220
A.1 变量说明　　　 220
A.2 关键词　　　　 220
A.3 wire 型信号创建及赋值　220#12;
VIII
A.4 信号构造方法　　　220
A.5 枚举 Enum 的用法　　 221
A.6 集合类型　　　 221
A.6.1 Bundle 方法　　　221
A.6.2 Vec 方法　　　223
A.7 操作符　　　　 224
A.8 代码生成　　　 225
A.9 强制类型转换　　　226
A.10 标准单元库　　　 227
A.10.1 位操作　　　　227
A.10.2 状态组件及模块的标准单
元库　　　 227
A.10.3 接口　　　　228
A.11 模块的定义和例化　　230
参考文献　　　　　 231